SyMRI技术在颅脑疾病诊断中的应用进展

刘一帆，邓爱林，薛莹，李曼竹，廖承德

云南省肿瘤医院（昆明医科大学第三附属医院）放射科，云南 昆明 650118

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具备多参数成像、多模态成像的优势，是临床诊断颅脑疾病及评价治疗后反应的主要手段之一。传统颅脑MRI为了获得不同对比加权的图像及组织弛豫定量数据，通常需要依次扫描多个成像序列，总检查时间较长（普遍超过10 min），且不同医疗机构的序列组合及参数设置均有一定差异，无法进行比较和统一评价。集成磁共振成像技术（Synthetic Magnetic Resonance Imaging，SyMRI）通过一个扫描时长约5～6 min的成像序列及相应后处理软件，可以在短时间内生成10种对比加权图像，定量分析组织弛豫时间及质子密度（Proton Density，PD）值，实现脑组织的分割和容积测量[1-3]，显著提高成像效率并丰富诊断信息。

1 SyMRI的基本原理及功能

SyMRI技术通过由饱和脉冲进行激发、快速自旋回波读出的2D多期动态多回波（Multi-Dynamic Multi-Echo，MDME）序列进行信号采集。借助选层技术，MDME序列在两个不同成像层面分别进行120°饱和脉冲激发、多回波采集，并根据脉冲激发层和回波采集层的选择组合来控制饱和延迟时间[1]。通过2个回波时间4个饱和延迟时间的组合可在每个成像层面获取8幅原始图像[2-3]，借助特殊算法对这些图像中每个像素的信号强度进行最小二乘拟合，能计算得到纵向弛豫时间（Longitudinal Relaxation Time，T1）、横向弛豫时间（Transverse Relaxation Time，T2）、纵向弛豫率（R1）、横向弛豫率（R2）、PD值和射频（B1）场的振幅，最终获得相应组织参数的定量分布图，从而实现以像素为单位对脑组织的弛豫时间及PD进行定量分析。相较于传统弛豫定量序列，SyMRI的成像时间较短，一次扫描就能对多种组织参数进行定量分析[4]，且稳定性较好[5]。

根据获得的R1、R2、PD量化参数模型，SyMRI还可以通过虚拟设置TE、TR、TI间的任意组合来计算每一个体素的信号强度[2,6]、优化组织间对比，在一次扫描后重建10种不同对比的MR图像，包括：T1加权像、T2加权像、PD加权像、快速反转恢复T1加权像（T1 Fluid Attenuated Inversion Recovery，T1 FLAIR）、液体抑制反转恢复像（Fluid Attenuated Inversion Recovery，FLAIR）、短反转时间反转恢复像（Short TI Inversion Recovery，STIR）、相位敏感反转恢复像（Phase-Sensitive Inversion Recovery，PSIR）、相位敏感反转恢复血管像（Phase-Sensitive Inversion Recovery Vessel，PSIR Vessel）、双反转恢复灰质像（Double Inversion Recovery Gray Matter，DIR GM）及双反转恢复白质像（Double Inversion Recovery White Matter，DIR WM）。同时，基于不同脑组织所具有的R1-R2-PD特征，SyMRI还可以识别体素内的脑组织构成，实现对大脑灰质、白质、脑脊液和髓磷脂（Myelin，MYE）的自动组织分割；继而提供完整的脑实质体积（Brain Parenchymal Volume，BPV）、颅内体积（Intracranial Volume，ICV）及任一脑组织的体积信息、组织分数信息[2,7]。

2 SyMRI在颅脑疾病诊断中的应用进展

2.1 SyMRI有利于多发性硬化的检出及进展评价

多发性硬化（Multiple Sclerosis，MS）作为一种与大脑白质、皮质及深层灰质内多灶性脱髓鞘斑块形成有关的中枢神经系统神经退行性、自身免疫性疾病[8]，其临床表现具有非特异性，常规MRI检查对其诊断有一定限度。双反转恢复（Double Inversion Recovery，DIR）序列和PSIR序列在检测MS斑块中有较大价值，特别是在皮质和灰白质混合区域[9]。SyMRI可通过一次扫描合成DIR、PSIR图像，Hagiwara等[10]的研究发现，在相似的成像时间下，SyMRI比传统MR能检测到更多的MS斑块，且合成DIR图像中MS斑块的对比度优于常规DIR图像。SyMRI合成DIR、PSIR图像，能有效避免因增加扫描序列导致的总检查时间延长，且通过虚拟扫描参数调整，可以优化MS斑块与正常脑组织间的对比度，进一步提高病灶的检出率，可作为传统MR检查的替代方法，以用于MS病灶检出。

MS的病理过程伴有髓鞘损伤、组织水肿、灰质受累以及脑实质萎缩。SyMRI的脑组织分割及测量功能对于无创性评估MS的病理进程有一定帮助。Saccenti等[11]发现MS组的脑白质、MYE体积和BPV与健康对照组有显著差异。Andica等[12]在使用SyMRI识别复发-缓解型MS（Relapsing-Remitting MS，RRMS）患者灰质改变的研究中发现，RRMS患者的MYE体积分数（Myelin Volume Fraction，MVF）低于健康对照组，且RRMS组中的灰质内髓鞘体积GM-MyVol（Myelin Volumes of GM，GMMyVol）与疾病持续时间呈负相关（r=-0.43，P=0.005），晚期RRMS患者的GM-MyVol相对最小，认为通过SyMRI获得的MVF和MyVol可用于评估RRMS患者的灰质差异。同时，SyMRI通过一个包含MYE部分体积（VMY），细胞部分体积（VCL），自由水部分体积（VFW）和结合水部分体积（VEPW）的4室模型，还可以进一步估计脑MYE含量并评估脑水肿程度[3]。Hagiwara等[13]利用SyMRI对21例MS患者的MS斑块、斑块周围白质及正常白质进行R1、R2、PD、VMY、VEPW测量并进行对比研究，发现VMY、VEPW对于MS疾病进展的评估更为敏感。SyMRI能分割并定量大脑灰质、MYE、结合水，可用于无创性评估MS病理进程中灰质、MYE的体积分数变化及组织水肿程度。但目前相关研究较少，且未能囊括MS的所有亚型，还有待进一步扩大样本量并深入研究，以证实SyMRI能有效判断MS的病理进程。

此外，Blystad等[14]在钆对比剂注射前，利用SyMRI技术对强化MS斑块与未强化MS斑块进行R1、R2、PD三种定量值的比较，发现强化斑块的R1和R2明显高于未强化斑块，PD明显低于未强化斑块。由于活动性MS斑块伴有的急性炎症会破坏局部的血脑屏障，传统MRI常通过钆对比剂增强扫描来检测活动性MS斑块。而对于部分有钆对比剂禁忌症的MS患者，SyMRI技术有望成为检测活动性MS斑块的替代方法，通过组织参数定量和组织分割测量来识别活动性MS斑块。

2.2 SyMRI有利于评价儿童髓鞘发育不良

髓鞘形成是中枢神经系统发育的重要步骤，而MYE则是评估神经发育情况的关键因素。由于MYE的成熟会导致T1和T2弛豫时间的缩短、水分子扩散和PD减少、扩散各向异性和磁化传递增加，因此MRI是评估髓鞘发育的主要手段。Lee等[15]通过SyMRI测量儿童脑组织的T1值、T2值和PD，并研究它们与儿童年龄的关系，发现除皮层PD外，所有大脑区域的组织参数均随着年龄的增长而降低，呈现稳定的负相关性，证实通过SyMRI可以评估儿童大脑发育。Warntjes等[16]发现SyMRI测量的MYE与使用卢克索固蓝染色的大脑切片具有良好的相关性，证明了MYE测量模型的有效性。Hagiwara等[17]则证实了SyMRI与磁化传递成像的MYE测量结果在白质区域有高度相关性（r=0.72），认为SyMRI适用于测量白质中的MYE，并通过SyMRI发现MYE体积会随年龄改变而发生变化[18]。传统MRI中基于图像信号强度进行的髓鞘发育视觉评价并不精确，而利用弥散张量成像、磁共振波谱等成像技术进行髓鞘发育定量评价则需要花费较长的扫描时间。SyMRI仅通过一次扫描就能实现全脑的T1、T2和PD值定量分析以及对MYE的自动分割和体积测量，成像效率较高，为发现和监测髓鞘发育异常提供了新思路。

2.3 SyMRI有利于评估脑肿瘤浸润情况

明确脑肿瘤的浸润范围及浸润程度对于确定手术切除范围、制定放射治疗计划、避免肿瘤复发有较大意义。传统MR灰阶图像中，脑肿瘤强化区域和瘤周水肿之间存在的肿瘤浸润区无法得到准确界定。SyMRI能直接对瘤周水肿组织的物理特性进行参数分析，对于定量评价肿瘤浸润情况有一定价值。Blystad等[19]使用SyMRI及动态磁敏感对比灌注成像对恶性胶质瘤患者的瘤周水肿区域进行R1值、R2值、脑血容量（Relative Cerebral Blood Volume，rCBV）值测量，研究发现随着测量位置与肿瘤强化边界的距离增加，R1值、R2值及rCBV值均逐渐降低，且在注射对比剂后R1梯度变化显著增加（P<0.0001）。Blystad等[20]借助SyMRI测量并计算注射对比剂前后的R1差值则发现，瘤周水肿区域（瘤周1 cm范围内）的R1差值明显高于对侧正常白质区域。由于弥漫性肿瘤浸润及新生血管增加，肿瘤浸润区域存在细微的血脑屏障渗漏，会导致该区域在增强前后的R1值有一定差异。常规增强MR图像很难通过灰度变化发现上述差异，而SyMRI能以像素为单位对瘤周水肿组织的弛豫率进行测量和定量分析，因此有望用于区分常规MR灰度图像中难于区分的肿瘤浸润与瘤周水肿。

2.4 SyMRI在脑膜炎的应用

增强MRI是评估脑膜炎的首选影像学方法，其中增强FLAIR序列比增强T1WI对诊断脑膜炎更敏感[21-22]，但由于扫描时间较长，增强FLAIR序列往往未被纳入常规扫描中。在可疑细菌性脑膜炎患者中，Andica等[23]通过对比常规MRI和SyMRI的图像后发现，在虚拟调整TI以消除脑脊液、脂肪的信号干扰后，SyMRI重建的增强FLAIR图像可以更清楚地显示病灶，在诊断脑膜炎方面优于传统序列，有助于提高MR对诊断脑膜炎的敏感性。SyMRI能同时获得多种对比的增强图像（T1WI、T1 FLAIR和T2 FLAIR），可显著缩短扫描时间，有助于使增强FLAIR图像成为常规诊断图像。同时，SyMRI虚拟调整成像参数的功能还有利于优化图像对比、避免出现传统FLAIR成像中因成像参数设置不当而导致的脑脊液信号干扰。但目前SyMRI应用于脑膜炎的研究还较少，需要进行大规模的临床研究，以证实其在脑膜炎诊断中的有效性。

2.5 SyMRI在神经退行性疾病的应用

MRI是神经退行性疾病的影像检查方法之一。利用MRI实现的弛豫定量测量、脑组织分割和体积定量测量，可作为早期检测和诊断神经退行性疾病的神经影像生物标记。鹿娜等[24]利用SyMRI测量帕金森病患者与正常对照者的大脑体积、脑组织体积及弛豫值，比较发现帕金森患者的白质体积、白质分数、髓鞘体积、髓鞘分数、灰质T1和灰质T2明显高于正常对照组，而灰质分数、白质T1和脑脊液PD明显低于正常对照组，认为SyMRI技术可以提供多种定量指标，用于区分帕金森病患者与正常人。Lou等[25]通过SyMRI测量并研究阿尔兹海默病（Alzheimer’s Disease，AD）和正常对照者的大脑体积特征及不同皮层、皮层下区域的PD值、T1值、T2值，发现AD患者右侧岛叶皮层的T1值、T2值及左侧海马区的T2值均显著高于正常对照者，而左侧尾状核的T1值则低于正常对照者；且AD患者随着简易精神状态评价量表（MMSE）评分的降低，其BPV与ICV的比率均降低，而脑脊液体积、双侧海马的T1值、双侧岛叶皮层的T1值和T2值均增加。认为SyMRI技术可以提供较多的定量信息，用于区分AD患者与正常人，并能反映AD患者的疾病严重程度。目前，有研究已经证实了SyMRI的弛豫时间测量结果具有较好的可重复性[26]。而相较于传统的成像方法，SyMRI能通过一次扫描同时获得解剖图像、弛豫时间信息、组织体积测量信息，有效缩短成像时间并减轻患者的不适感，更为经济、高效，可作为神经退行性疾病MRI检查的一种新手段。

3 SyMRI的不足和展望

相对于传统MR序列，SyMRI序列的单次扫描时间较长，检查过程中更容易受到患者（自主/不自主）运动的影响而出现伪影并降低定量测量准确度，甚至会导致检查失败[2,6]。而SyMRI扫描过程中只能显示原始图像，难以发现图像质量问题。因此，在SyMRI序列扫描过程中做好患者制动，并通过结合并行采集技术来缩短SyMRI扫描时间是非常有必要的。同时，血管、脑脊液的搏动性流动也会对SyMRI产生一定影响。其中，SyMRI合成的T2WI图像常在相位编码方向上出现流动伪影、搏动伪影，这些伪影无法通过患者制动进行抑制，可能会干扰（如脑干或大脑脚等位置）较低区域的显示[27]。虽然这些伪影较易识别，但当临床怀疑上述区域可能存在病变时，应选择常规扫描序列进行补充。此外，还有多项研究发现，SyMR的合成FLAIR图像与常规序列相比，图像对比噪声比较低[28-29]，并且部分脑实质与脑脊液交界区在合成FLAIR图像上呈现高信号（容积效应和脑脊液流动所导致）[2,30]。这可能会被误判为脑实质的病理性改变，需要结合常规FLAIR图像进行诊断。而有国外学者研究合成FLAIR的图像重建发现，基于深度学习进行合成FLAIR图像的重建能够减轻上述伪影[31]。

目前，很多神经影像研究中心已经开始使用3D各向同性成像技术进行颅脑MRI，而SyMRI采用的是2D多层成像技术，图像的层间分辨率低于3D成像技术，且无法通过一次成像的数据直接进行多个方位的图像重建。不过近年来已有少量采用3D-QALAS序列进行脑组织分割、定量及合成图像的研究报道[32-34]，相信未来SyMRI技术有望实现3D各向同性成像，更好地应用于临床中。

总之，SyMRI是一种全新的MRI及后处理技术，能够通过一次扫描实现组织弛豫时间及PD的定量分析、多种不同对比权重图像的合成、脑组织的分割及测量，相较于传统MRI显著提高检查效率并丰富了诊断信息，具有非常广阔的应用前景。目前SyMRI已应用于颅脑疾病的MRI中，对MS斑块、肿瘤浸润等的检出和量化评价、评估髓鞘形成等均具有一定价值。相信随着对SyMRI技术的继续完善、临床应用研究的探索和深入，SyMRI技术会为临床颅脑疾病诊疗带来更多的应用可能性。